評估和設計支持

電路評估板

CN-0394電路評估板(EVAL-CN0394-ARDZ) ADICUP360評估板(EVAL-ADICUP360)

設計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優勢

圖1所示電路是一種靈活的集成式4通道熱電偶測量系統，基于Arduino兼容EVAL-ADICUP360平臺，包含ADuCM360低功耗精密模擬微控制器。ADuCM360具有ARM Cortex?-M3處理器內核、多種外設和精密模擬功能，包括雙通道24位Σ-Δ型模數轉換器(ADC)、多路復用器、可編程增益放大器(PGA)以及基準電壓源。

該電路最多可支持4個獨立的熱電偶通道，軟件線性化算法支持8種不同類型的熱電偶（B、E、J、K、N、R、S和T）。4個熱電偶可以按任意組合進行連接，各熱電偶通道上的電阻溫度檢測器(RTD)提供冷結補償(CJC)。無需額外的補償。采用此系統的熱電偶測量可覆蓋各種類型熱電偶的全部工作范圍。

該電路與EVAL-ADICUP360 Arduino兼容平臺對接，支持快速開發原型。利用USB轉UART接口和開源固件，EVAL-CN0394-ARDZ和EVAL-ADICUP360組合可以輕松支持不同熱電偶應用。

圖1.熱電偶測量系統（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）

圖2.包括測量端參考端的熱電偶連接（一個通道）

電路描述

溫度測量簡介

熱電偶是工業應用中最常用的溫度測量傳感器之一，其成本低，堅固耐用，可重復性好，并具有很寬的工作溫度范圍和快速響應時間。熱電偶特別適合高溫測量（C型熱電偶最高可測量2300℃的溫度）。

熱電偶由兩條不同金屬線連接而成，如圖2所示。

一端放置在需要進行溫度測量的地方，稱為測量端(TTC)。熱電偶的另一端連接精密電壓測量系統，該連接稱為參考端，或者稱為冷端(CJ)。測量端TTC和冷端TCJ之間的溫差產生一個電壓VTC ? VCJ,，它是由兩個端點之間的溫差引起的。產生的電壓通常為數微伏至數十毫伏不等，具體取決于溫度差值和熱電偶類型。

Cold Junction Compensation (CJC)

冷端補償(CJC)

The voltage generated by a thermocouple must be converted to temperature. Converting the voltage measured to an accurate temperature can be difficult, because the thermocouple voltage is small, the temperature-voltage relationship is nonlinear, and the cold junction temperature must also be accurately measured.

必須將熱電偶產生的電壓轉換為溫度。將測得的電壓轉換為精確的溫度是很困難的，因為熱電偶電壓很小，溫度與電壓不是線性關系，而且還必須準確測量冷端溫度。

The total output voltage of the thermocouple is caused by the difference between the temperature of the thermocouple and the cold junction temperature. Figure 2 shows that the cold junction temperature is measured with another temperature sensitive device, typically a thermistor, diode, RTD, or semiconductor temperature sensor. The temperature-sensing device used for this circuit is a Pt1000 RTD, and there is one RTD in each of the four channels for accurate measurements.

熱電偶的總輸出電壓是由熱電偶與冷端的溫差引起的。圖2顯示，冷端溫度使用另一種溫度敏感器件來測量，其通常是熱敏電阻、二極管、RTD或半導體溫度傳感器。用于此電路的溫度檢測器件為Pt1000 RTD，每個通道都有一個RTD以保證精確測量。

圖2中，總熱電偶電壓VTC – VCJ利用ADuCM360中的精密ADC測量，并通過下式轉換為數字格式：

CODE

其中：

VTC ? VCJ為實測熱電偶電壓。

VREF為測量所用基準電壓。對于本電路，內部1.2 V基準電壓用于熱電偶測量。

CODE為ADuCM360 ADC數據寄存器(ADCxDAT)中的28位字，增益為8。

一個恒流源IEXE（從ADuCM360獲得）驅動RTD和1.6 kΩ精密基準電阻R5的串聯組合。CN-0394電路的IEXE設置為620 μA，其產生的標稱VREF為1.6 kΩ × 620 μA = 0.992 V，RTD上有1 kΩ × 620 μA = 0.62 V的壓降。R5兩端的電壓用作ADC的基準電壓。RTD電阻RRTD利用下式計算：

其中：

R5為基準電阻，R5 = 1.6 kΩ。

CODE為ADuCM360 ADC數據寄存器(ADCxDAT)中的28位字，增益為1。

在CN-0394電路中，熱電偶電壓和RTD電壓均通過ADuCM360 24位ADC轉換。注意測量為比率式，不取決于基準電壓的精度或IEXE激勵電流的值。

RTD電阻RRTD通過查找表或多項式公式轉換為冷端溫度TCJ。RTD傳遞函數即所謂CallenderVanDusen公式，它由兩個不同的多項式公式組成，可提供更精確的結果，CN-0394 軟件即使用該公式。有關這些RTD公式的詳細說明，參見電路筆記CN-0381。

冷端溫度TCJ通過ITS-90熱電偶數據庫中的公式轉換為相應的熱電偶電壓VCJ。CN-0394軟件使用ITS-90多項式公式而非查找表來執行此轉換。

軟件將總熱電偶電壓(VTC? VCJ)與冷端VCJ相加以獲得熱電偶EMF VTC。

然后利用ITS-90逆公式將熱電偶EMF VTC轉換為等效熱電偶溫度TTC。

關于熱電偶原理、線性化表、公式和冷端補償，請參閱NIST ITS-90熱電偶數據庫和NIST標準參考數據庫60 2.0版（位于NIST網站）。關于熱電偶和溫度測量的一般理論，請參閱《傳感器信號調理》第7章。

模數轉換

CN-0394電路利用ADuCM360集成的雙通道24位Σ-Δ型ADC執行轉換。ADuCM360內置一個輸入多路復用器，并集成一個增益選項為1至128的PGA。ADuCM360可配置為6路差分輸入或12路單端輸入。

ADuCM360還提供多個濾波器選項和多種輸出數據速率，確保為用戶帶來最大的靈活性。

PGA可將很小的熱電偶電壓放大到最適合內部Σ-Δ ADC的水平。合理的增益設置由熱電偶信號幅度和基準電壓值決定。

CN-0394軟件支持8類熱電偶：B、E、J、K、N、R、S和T型。

不同熱電偶具有不同的范圍和靈敏度，如圖3所示。例如，J型熱電偶由鐵和康銅連接而成，測量范圍約為-210°C至+1200°C，靈敏度為55 μV/℃。

圖3.熱電偶輸出電壓與溫度的關系

因此，利用ADuCM360的集成PGA，可以檢測熱電偶的小電壓并將其精確轉換為數字信號。

The cold junction temperature range is 0°C to 50°C, and the maximum and minimum output voltage range is determined by examining the voltage swings of the various types and including the cold junction voltage component that is subtracted from the thermocouple voltage. The Type E thermocouple requires the widest range, as shown in Table 1.

冷端結溫度范圍是0°C至50°C；為確定最大和最小輸出電壓范圍，須考慮各類熱電偶的電壓擺幅，并且納入從熱電偶電壓減去的冷端結電壓分量。E型熱電偶需要的范圍最寬，如表1所示。

表1.熱電偶最大電壓擺幅（E型）

采用內部1.2 V基準電壓且將PGA增益設置為G = 8時，ADuCM360 ADC雙極性差分輸入范圍為±125 mV。此范圍涵蓋了所有8類熱電偶的輸出電壓范圍，故而無需外部信號調理電路；對所有類型熱電偶，PGA都可以使用固定增益8。24位分辨率支持測量信號范圍很小的熱電偶（例如B型），無需進行增益調整。熱電偶以差分模式連接到ADC，負輸入連接到ADuCM360提供的900 mV共模偏置電壓。

EVAL-CN0394-ARDZ板有4個迷你U型插口熱電偶連接器(Omega PCC-SMP-U-100)，用于連接熱電偶連接器。冷端形成于連接器觸頭處，冷端補償CJC RTD靠近連接器。

CN-0394電路使用簡單的2線RTD連接，但ADuCM360包含可編程激勵電流，可用于2線、3線和4線RTD。關于3線和4線應用的詳細信息，請分別參閱電路筆記CN-0381和電路筆記CN-0383。

系統噪聲測量和結果

系統噪聲必須很低才能精確測量熱電偶輸出的微小電壓。圖4所示為熱電偶連接器在一個短路的通道上采集的512個樣本的直方圖。ADuCM360 sinc3濾波器開啟，斬波模式使能，數據速率為50 Hz。

圖4.單通道的短路輸入直方圖，512樣本，ADC Sinc3濾波器開啟，斬波使能，50 Hz數據速率

從直方圖可知，折合到輸入端的峰峰值噪聲為2.51 μV。對于125 mV的滿量程輸入，無噪聲碼分辨率可計算如下：

無噪聲碼分辨率

位

系統熱電偶測量和結果

為了進行熱電偶系統測量試驗，需要知道寬溫度范圍內熱電偶溫度的準確數據。油浴法很準確，但其溫度范圍有限，而且穩定過程很慢。

精確的熱電偶仿真器可以代替油浴法，比如Time Electronics 1090溫度校準器就是很有吸引力的選擇。圖5所示為說明仿真器測試原理的框圖。

該仿真器允許用戶輸入熱電偶類型和溫度以及冷端溫度。然后，仿真器利用ITS-90表和公式將熱電偶溫度TTC和冷端溫度TCJ轉換為相應的電壓VTC和VCJ。再將VCJ從VTC中扣除，以便得到仿真器輸出電壓VTC – VCJ。

仿真器的整體精度取決于熱電偶類型和溫度，典型值介于0.5°C和2°C之間。

注意，仿真器并不測試系統冷端補償電路的精度，后者必須通過額外連接的熱電偶單獨測試。

圖5.利用熱電偶仿真器測試熱電偶測量系統

圖6顯示了E、J、K、N和T型熱電偶的仿真溫度與測量溫度之間的誤差，圖7顯示了B、R、S型熱電偶的誤差。測量之前對ADuCM360 ADC進行了零電平和滿量程校準。

圖6. EVAL-CN0394-ARDZ溫度測量誤差（E、J、K、N、T型熱電偶，使用熱電偶仿真器）

圖7. EVAL-CN0394-ARDZ溫度測量誤差（B、R、S型熱電偶，使用熱電偶仿真器）

The errors shown in Figure 6 and Figure 7 are a combination of the following sources:

圖6和圖7所示誤差是以下誤差源之和：

仿真器誤差（0.15°C至3°C，取決于類型和范圍）

ADC基準電壓精度(0.2%)

ADC內部校準后剩余的系統失調和增益誤差（小于10 μV）

ADC非線性誤差（15 ppm FSR；FSR = 125 mV時，其為1.9 μV）

ITS-90公式誤差（0.001°C至0.06°C不等，取決于類型和范圍）

基準電壓誤差（ADuCM360內部基準電壓為0.1%）引起系統增益誤差，在高溫時可能貢獻數攝氏度的誤差。

B、R、S型熱電偶具有較小的賽貝克系數，對失調誤差更為敏感。

ADuCM360非線性誤差和ITS-90公式誤差相對于其他誤差源均可忽略不計。

對于所有8種標準熱電偶的各自范圍，圖6和圖7所示的測量數據在其精度規格以內。

為實現最高精度，尤其是B、R、S型熱電偶，必須利用精密外部電壓源執行系統級零電平和滿量程校準。

也可以使用ADR4525（初始精度為0.02%）等精度更高的外部基準電壓源來使增益誤差最小。

冷端補償按如下方法進行測試：將J型熱電偶連接到一個通道，熱電偶維持在環境溫度，在ThermoStream或Thermonics溫度控制器的控制下循環改變CN-0394板的溫度。選擇J型熱電偶的原因是其對溫度變化的靈敏度較高。

測量在0°C、25°C和105°C的冷端溫度下進行結果如圖8所示。

圖8.EVAL-CN0394-ARDZ溫度測量誤差，J型熱電偶在室溫下，冷端溫度為0°C、25°C和105°C

EVAL-CN0394-ARDZ硬件的完整文檔，包括原理圖、布局文件、Gerber文件和物料清單，位于CN-0394設計支持包中。

系統設計權衡 

EVAL-CN0394-ARDZ板設計具有非常大的靈活性，支持四個獨立熱電偶輸入通道的任意組合，電路設計使用最少的額外元件。

如果在測量之前執行系統級零電平和滿量程校準，則ADuCM360中的ADC可提供更高的精度。

如果ADuCM360輸入配置為差分工作模式，并且為各通道增加輸入抗混疊濾波器，則還能改善噪聲性能。典型濾波器配置如圖9所示，其中R1 + R2和C3形成一個差分模式濾波器（帶寬約為800 Hz），R1/C1和R2/C2形成共模濾波器（帶寬約為16 kHz）。

利用RTD和熱電偶電路實現最優性能的更多設計技巧，參見電路筆記CN-0381、電路筆記CN-0383和電路筆記CN-0384。

圖9.適用于ADuCM360的可選差分和共模輸入濾波器

ADuCM360通過直接編程控制可配置為許多低功耗工作模式，包括休眠模式（內部喚醒定時器有效），此時能耗僅為4 μA。在休眠模式下，諸如外部中斷或內部喚醒定時器等外設可以喚醒該器件。該模式可讓器件在功耗極低的情況下運行，同時仍然響應外部異步或周期事件。

常見變化

ADuCM360內部1.2 V基準電壓源的初始精度為±0.1%。如需更高精度和更低的滿量程增益誤差，可使用ADR4525 2.5 V±0.02%基準電壓源。

電路評估與測試

本電路使用EVAL-CN0394-ARDZ Arduino擴展板和EVAL-ADICUP360 Arduino平臺板。這兩片板很容易插接起來，EVAL-CN0394-ARDZ在上方，EVAL-ADICUP360在下方。熱電偶插入EVAL-CN0394-ARDZ板的P1至P4插口。

系統通過EVAL-ADICUP360板的USB接口連接到PC。兩片板均由USB 5 V電源供電。RTD傳感器已安裝到EVAL-CN0394-ARDZ印刷電路板(PCB)上。

設備要求

需要以下設備：

帶USB 2.0端口和Windows? 7（64位）或更高版本的PC

EVAL-CN0394-ARDZ Arduino兼容電路評估板

EVAL-ADICUP360 開發板或Arduino兼容平臺板

B、E、J、K、N、R、S和T型熱電偶的任意組合（總共4個），或Time Electronics 1090溫度校準器或同等產品 

ADICUP360軟件(IDE)，參見CN-0394用戶指南

串行終端軟件，例如PuTTY或Tera Term

USB A轉USB微型電纜

EVAL-CN0394-ARDZ演示代碼（參見CN-0394用戶指南）

開始使用

選擇EVAL-ADICUP360板上的正確跳線設置。跳線設置詳見CN-0394用戶指南。

將EVAL-CN0394-ARDZ Arduino擴展板插入EVAL-ADICUP360 Arduino兼容平臺板。將熱電偶傳感器連接到EVAL-CN0394-ARDZ板。將用戶USB端口連接到PC。各通道使用Ω式連接器連接熱電偶，這樣可以簡化不同類型熱電偶的插拔。選擇U型連接器，使得板上的所有通道（P1至P4）都能相互通用。

將項目演示代碼載入ADuCM360 IDE，請按照工具鏈設置用戶指南中的說明操作。

務必按照CN-0394用戶指南中的說明，針對P1、P2、P3和P4上的熱電偶類型配置軟件。

程序運行時，系統會計算輸出數據并在終端窗口上顯示。

關于Arduino尺寸兼容ARM Cortex-M3開發平臺(EVAL-ADICUP360)的信息，請參閱EVAL-ADICUP360用戶指南。

功能框圖

測試設置的框圖如圖10所示。

圖10.測試設置功能框圖（兩片板均由PC USB 5 V電源供電）

測試

示例代碼經編譯并加載到EVAL-ADICUP360上且將EVAL-CN0394-ARDZ 插接在上面之后，器件與PC通信，連續更新并顯示各通道的下列信息：

通道數和熱電偶類型

RTD電阻

線性化RTD溫度（冷端溫度）J

線性化熱電偶溫度

如果所選熱電偶的最終線性化溫度超出ITS-90公式定義的范圍，則會顯示警告消息。其他編程選項詳見CN-0394用戶指南。

圖11顯示EVAL-CN0394-ARDZ板的實物照片。

圖11. EVAL-CN0394-ARDZ板照片